автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Разработка принципов создания и исследование самонастраивающихся гидравлических демпфирующих устройств двухстороннего действия

На правах рукописи

Нгуен Мань Дык

РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ СОЗДАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ САМОНАСТРАИВАЮЩИХСЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ДЕМПФИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ ДВУХСТОРОННЕГО ДЕЙСТВИЯ

05.02.02 «Машиноведение, системы приводов и детали машин»

3 п ЯНВ ш

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005544742

Братск - 2014

005544742

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Конструирование и стандартизация в машиностроении» ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет» Кузнецов Николай Константинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кафедры

«Автоматизация и роботизация в машиностроении» ФГБОУ ВПО «Томский политехнический университет» Крауиньш Петр Янович,

кандидат технических наук, доцент кафедры «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет» Кобзов Дмитрий Юрьевич

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения»

Защита состоится 14 февраля 2014 г., в 9-00 часов, на заседании диссертационного совета Д212.018.02 при ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет», в ауд. 3205, корп. 3, по адресу: 665709, Иркутская область, г. Братск, ул. Макаренко, д. 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, просим направлять по указанному выше адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета. Для связи с секретарем могут быть использованы: факс (8-3953) 33-20-08, тел. (8-3953) 32-53-63, e-mail: efremov@brstu.ru.

Автореферат разослан 13 января 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент ¿и. ^-И.М. Ефремов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в качестве приводов современных технологических и транспортных машин все большее применение получают гидравлические и пневматические приводы с цикловым управлением. В частности, они используются в промышленных и транспортных роботах, автооператорах, металлорежущих станках, обрабатывающих центрах, гибких производственных модулях, координатных и поворотных столах, автоматических загрузочных устройствах и т.д. К основным преимуществам этих приводов следует отнести высокие быстродействие и точность, относительную дешевизну и простоту конструкции, а также надежность при эксплуатации.

Характерной особенностью гидропневмоприводов (ГПП) с цикловым управлением является позиционирование с помощью жестких переналаживаемых упоров. Использование упоров даёт возможность обеспечить высокую точность позиционирования, достигающую сотых и даже тысячных долей миллиметра, однако для обеспечения торможения, безударного останова и исключения отскока и колебаний исполнительных механизмов при наезде на упор необходимы демпфирующие устройства, обеспечивающие снижение скоростей движения перед позиционированием.

Как показал анализ, предлагаемые демпфирующие устройства имеют ряд недостатков, основным из которых является необходимость ручной настройки при изменениях скоростей движения и нагрузок ГПП с цикловым управлением, что ограничивает области их эффективного использования. В тоже время эффективным средством решения проблемы обеспечения точного позиционирования ГПП с цикловым управлением является использование гидравлических демпфирующих устройств, которые позволяют изменять силы сопротивления движению при изменении условий эксплуатации. Однако известные конструкции этих устройств обеспечивают торможение лишь в одном направлении движения ГПП с цикловым управлением.

В настоящей работе поставлена задача разработки принципов создания и исследования гидравлических демпфирующих устройств, обладающих свойствами самонастройки к изменениям скоростей движения и нагрузок гидропневмоприводов с цикловым управлением и обеспечивающих торможение исполнительных механизмов в противоположных направлениях движения.

Объект исследования - гидравлические и пневматические приводы с цикловым управлением.

Предмет исследования - гидравлические демпфирующие устройства, обеспечивающие торможение гидропневмоприводов перед жесткими упорами.

Целью диссертационной работы является разработка принципов создания и исследование гидравлических демпфирующих устройств двухстороннего действия, обладающих свойствами самонастройки к изменениям скоростей движения и нагрузок гидропневмоприводов с цикловым управлением.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Обзор и систематизация способов и средств торможения ГПП с цикловым управлением;

2. Выбор и обоснование конструктивной схемы гидравлического демпфирующего устройства, обладающего свойствами самонастройки к изменениям скоростей движения и нагрузок ГПП с цикловым управлением;

3. Разработка математической модели и методики расчета основных параметров самонастраивающихся гидравлических демпфирующих устройств (СГДУ);

4. Разработка алгоритмов и программ автоматизированного расчета, конструирования и моделирования СГДУ;

5. Создание опытного макета СГДУ для пневматического промышленного робота с цикловым управлением и экспериментальные исследования его эффективности.

Методика исследования и решения поставленных задач:

В работе проводились аналитические, численные и экспериментальные исследования. Аналитические исследования основывались на методах теоретической механики, машиноведения, гидродинамики и прикладной теории колебаний. При численных расчетах и моделировании использовались пакеты прикладных программ MATLAB 7.0, Ansys и Autodesk Inventor. Экспериментальные исследования проводились с помощью высокоточного лазерного виброметра, снабженного компьютерными программами обработки результатов измерений.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Принципы создания гидравлических демпфирующих устройств двухстороннего действия, обладающих свойствами самонастройки к изменениям скоростей движения и нагрузок гидропневмоприводов с цикловым управлением;

2. Аналитические зависимости и методика расчета основных конструктивных параметров СГДУ;

3. Алгоритмы и компьютерные программы определения конструктивных размеров и проверки на прочность основных элементов СГДУ;

4. Алгоритм и компьютерная программа 3-D моделирования для виртуальной отработки составных элементов гидравлических демпфирующих устройств;

5. Результаты экспериментальных исследований работоспособности и эффективности применения СГДУ для конкретной модели ГПП с цикловым управлением.

Научная новизна работы:

1. Разработаны принципы создания гидравлических демпфирующих устройств двухстороннего действия, обладающих свойствами самонастройки к изменениям скоростей движения и нагрузок ГПП с цикловым управлением;

2. Предложены аналитические зависимости и инженерная методика расчета основных конструктивных параметров СГДУ двухстороннего действия;

3. Разработаны алгоритм и компьютерная программа определения конструктивных размеров основных элементов СГДУ, позволяющая производить автоматизированный расчет и оптимизацию параметров предложенных конструкций демпфирующих устройств;

4. Предложены алгоритм и программа 3-0 моделирования, обеспечивающие возможность компьютерной отработки основных конструктивных параметров демпфирующих устройств на этапе эскизного проектирования, до создания опытных образцов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций в диссертационной работе подтверждается теоретически и экспериментально. Научные положения подтверждены совпадением результатов аналитических исследований с результатами, полученными при математическом моделировании, использованием широко известных и апробированных программных средств компьютерного моделирования и инженерного анализа и экспериментальным подтверждением работоспособности и эффективности предложенной конструкции демпфирующего устройства.

Практическая ценность полученных результатов исследования:

1. Предлагаемые конструкции гидравлических демпфирующих устройств могут быть использованы для обеспечения позиционирования гидропневмоприводов с цикловым управлением с помощью жестких упоров, например, пневматических промышленных роботов, автооператоров, автоматических загрузочных устройств и т.п.;

2. Применение СГДУ дает возможность исключить ручную настройку и повысить производительность, точность и надежность работы ГПП с цикловым управлением в условиях изменения нагрузок и скоростей движения;

3. Созданные программные комплексы могут быть использованы при автоматизированном проектировании СГДУ для гидропневмоприводов с цикловым управлением различного назначения.

Практическое использование результатов диссертации.

Научные результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе в ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет», ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» и ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет», что подтверждается соответствующими актами внедрения.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на I, П-ой и Ш-ей Всероссийской научной конференции «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» (ИрГТУ, г. Иркутск, апреля 2011-2013г.); на 1У-ой международной конференции «Математика, ее приложения и математическое образование» МПМО' 11 (ВСГТУ, г. Улан-Удэ, 27 июня - 1 июля 2011г.); на 1У-ой Научной конференции «Клуба Машиноведения и Динамики» (Вьетнам, г. Ханой, 15 октября 2011г.); на У-ой международной конференции «Проблемы механики современных машин» (ВСГУТУ, г. Улан-Удэ, 26 июня - 01 июля 2012г.); на Х1-ом «Международный Форум студентов, аспирантов и молодых учёных стран Азиатско-Тихоокеанского региона» (г. Владивосток, 14-17 мая 2012г.); на Международной заочной научно-практической конференции «Вопросы образования и науки: теоретический и методический аспекты» (г. Тамбов, 30 апреля 2012г.); на XI и ХП-ой Всероссийской с международным участием научно-технической конференции «Механики XXI веку» (БрГУ, г. Братск, 2012 и 2013г.).

Публикации. Основные научные и практические результаты работы изложены в 17 статьях, включая 5 публикаций из перечня научных журналов, рекомендованных ВАК, 1 патент на изобретение и 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, списка литературы из 150 наименований и четырех приложений. Объем работы составляет 145 страниц машинописного текста; в ней 98 рисунков и 5 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, выбраны предмет, цель и задачи исследований, определены научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе анализируются особенности конструкции ГПП с цикловым управлением, остановка исполнительных механизмов в которых осуществляется с помощью жестких упоров, дается обзор известных способов и средств торможения исполнительных механизмов и регулирования демпфирующих сил.

В современном автоматизированном производстве все большее применение находят технологические машины, оборудованные гидравлическими и пневматическими приводами с цикловым управлением. Эти приводы широко используются в промышленных и транспортных роботах, автооператорах, металлообрабатывающих станках и машинных центрах, гибких производственных модулях, устройствах автоматической смены инструмента, координатных и поворотных столах, автоматических загрузочных устройствах и т.д. Использование для позиционирования ГПП с цикловым управлением жестких упоров даёт возможность обеспечить высокую точность позиционирования, однако требует применения демпфирующих устройств, обеспечивающих снижение скоростей движения перед упорами.

Значительный вклад в разработку основ создания и методов повышения работоспособности и эффективности ГПП с цикловым управлением внесли отечественные учёные: Башта Т.М., Васильченко В.А., Гамынин Н.С., Герц Е.В., Данилевский В.Н., Дроздецкий H.A., Колотов Ю.В., Кононов А. А., Коро-бочкин Б.Л., Крауиньш П.Я., Крейнин Г.В., Левитский Н.И., Лещенко В.А., Навроцкий К.Л., Некрасов Б.Б., Парой A.A., Попов Д.Н., Прокофьев В.Н., Сли-винский Е.В., Филипов И.Б., Цуханова Е.А. и др. В тоже время предлагаемые в известных работах демпфирующие устройства имеют ряд недостатков, основным из которых является необходимость ручной настройки при изменениях скоростей движения и нагрузок ГПП с цикловым управлением, что ограничивает области их эффективного использования.

На основе проведенного анализа определяются основная цель и задачи исследований, заключающиеся в разработке принципов создания и исследовании гидравлических демпфирующих устройств, обладающих свойством самонастройки к изменениям скоростей движения и нагрузок гидропневмоприводов с цикловым управлением и обеспечивающих торможение исполнительных механизмов в противоположных направлениях движения.

Во второй главе разрабатываются принципы создания СГДУ двухстороннего действия, выбирается и обосновывается расчетная схема исполнительного механизма с СГДУ, составляются дифференциальные уравнения процессов торможения этого механизма, определяются аналитические зависимости для расчета основных конструктивных параметров СГДУ и приводятся результаты численных исследований его эффективности.

Принципиальная схема предложенной конструкции СГДУ двухстороннего действия показана на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема СГДУ двухстороннего действия

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При наезде подвижного элемента ГПП (не показан) с некоторой минимальной скоростью, на которую настроены дроссельные шайбы 15 (18), на шток 2 (3), последний смещается вправо (влево), при этом давление в полостях Б (А) и 7 (6) повышается и рабочая жидкость перетекает через осевой канал 16(19), дроссельные шайбы 15 (18), полость 6 (7) и радиальные дросселирующие отверстия 14 (17), в полость А (Б). Одновременно жидкость из полости 7 (6) перетекает через осевой канал 19 (16), дроссельные шайбы 18 (15), в полость А (Б). В результате дросселирования потока жидкости в дроссельных шайбах 15 и 18 скорость подвижного элемента уменьшается и он плавно тормозится до тех пор, пока поршень 4 не коснется ограничительных упоров корпуса 1. При увеличении скорости подвижного элемента и его движении, например, в правую сторону, давление в полостях Б, 5 и 7 повышается, причем в полости 5, из-за наличия дроссельной шайбы 15 оно увеличивается медленнее, чем в полости 7. В результате этого плунжер 8, преодолевая усилие пружины 12, перемещается влево и начинает перекрывать пояском 11 отверстия 17, уменьшая площадь поперечного сечения последних. При движении подвижного элемента с повышенной скоростью в противоположную сторону повышается давление в полостях А, 6 и 7, причем в полости 7, из-за наличия дроссельной шайбы 18, оно увеличивается медленнее, чем в полости 6, и плунжер 8, преодолевая усилие пружины 13, перемещается вправо, перекрывая пояском 10 отверстия 14, уменьшая площадь поперечного сечения последних. При этом расход перетекающей жидкости уменьшается, а, следовательно, уменьшаются и скорости штоков 2 или 3 до заданных значений, при которых обеспечивается безударное торможение.

Данное устройство позволяет исключить ручную настройку режимов торможения при изменениях скоростей движения скоростей движения и нагру-

Рис.2. Варианты реализации СГДУ двухстороннего действия

В конструкции СГДУ, показанного на рис. 2, а, вместо дроссельных шайб 15 и 18 предлагается использовать дросселирующие отверстия 14 и 17, а полости 6, 7, А и Б связать между собой посредством осевых отверстий 15 и 18, выполненных в среднем пояске 9 плунжера. При этом, с целью исключения полного перекрытия отверстий 14, 17 при движении с максимальными нагрузками и скоростями, ход плунжера 8 ограничивается с обеих сторон упорами 16 и 19, положение которых определяется из условия обеспечения минимальной скорости подхода поршня 4 к ограничительным упорам корпуса. Устройство, изображенное на рис. 2, б, может быть использовано для вращательных движений ГПП с цикловым управлением путем введения специальной скобы с кронштейном 8. Последний взаимодействует с регулируемыми упорами механизма поворота, обеспечивая плавное торможение при изменениях нагрузок и скоростей движения. На рис. 2, в показана схема СГДУ с раздельными полостями, в котором средняя полость 5 (см. рис. 1) перегородкой 1 разделяется на две полости 2 и 3, связанные с полостями А и Б осевыми каналами 13 и 14 и отверстиями 4 и 5. Данное исполнение СГДУ позволяет производить независимый подбор размеров дросселирующих отверстий 4 и 5, ходов плунжеров 10 и 11, параметров пружин 6 и 7. Изменение тормозного усилия в этой конструкции происходит за счет изменения площадей проходных сечений отверстий 4 и 5, изменяющих расходы жидкости, перетекающей из полостей А и Б соответственно в правую 3 и левую 2 полости. В схеме, показанной на рис. 2, г, дросселирование потока жидкости осуществляется не между полостями А и Б демпфера, а между последними и трехступенчатой полостью 1, выполняющей роль компенсационной камеры.

зок ГПП с цикловым управлением и, тем самым, повысить точность позиционирования и быстродействие.

На рис. 2 приведены возможные варианты конструктивной реализации предложенного решения СГДУ двухстороннего действия.

На рис. 3 приведена расчетная схема исполнительного механизма с СГДУ, полученная при следующих допущениях: исполнительный механизм ГПП с цикловым управлением представляется в виде одномассовой системы, а его соприкосновение со штоками 1 и 3 демпфера является безударным; отсчет координаты исполнительного механизма ведется от положения, соответствующего моментам соприкосновения со штоками, а отсчет координаты плунжера -от координаты исполнительного механизма; жидкость в полостях демпфера несжимаема, а после соприкосновения с демпфером исполнительный механизм и штоки движутся с одинаковыми скоростями и ускорениями.

Из расчетной схемы получим следующую систему уравнений движения исполнительного механизма и плунжера, например, вправо: , [тпх + Ьпх + Ьр„Б„+(к^+к2)у = Р\ (1)

1 ЩиУ + К,У + (&! +к2)у- АрппБгт + тшх = 0, (2)

где тп и тт - массы поршня и исполнительного механизма, приведенные к штокам, и плунжера соответственно; Р - равнодействующая движущей силы привода, сил тяжести и сопротивления; Ъп, Ът - коэффициент сопротивления движению поршня 2 о стенку цилиндра и плунжерных поясков о стенки внут-: ренней осевой полости; к,, к2 - коэффициенты жесткости пружин 5 и 9; -рабочая площадь поршня 2 (при исключении площадей поперечных сечений штоков демпфера); - эффективная площадь плунжера; 5,, 52 -

рабочие площади крайних 6 и 8 и среднего 7 поясков плунжера (за исключением площадей отверстия 12 и поперечных сечений штоков плунжера); Арп, | перепады давлений между полостями демпфера и плунжера (Арп= р{ -

Рг> АРт = Р\ - Р2)! Р\> Р2> Р1> Рг - Давления жидкости соответственно в полостях Б, А, В и Г; х - абсолютная координата исполнительного механизма; у -относительная координата плунжера 4.

Уравнение неразрывности потока жидкости, перетекающей из одних полостей демпфера в другие, приближенно можно записать в виде

V =[/о -/0')]" = + =/Л> (2)

где и, и, и и2 - соответственно скорости течения жидкости через проходные сечения отверстий 13, 12 и 14; /0, /, и /2 - полные площади сечений отверстий 13, 12 и 14 соответственно; /(у) - перекрываемая площадь сечения отверстия 13, зависящая от координаты плунжера демпфера у.

Скорость течения жидкости через отверстия 14, 12 и 13 связана с соответствующими перепадами давлений следующими зависимостями: 2 2 Ад = Р\-р\ = ; Др2 = = р\-р-2= ; Лр3 = Р2-Р2= (3)

где Л/?р Др2, Д/?3 - перепады давлений между полостями Б и Г, Г и В, В и А; р - плотность жидкости; £(>>), и £2 - коэффициенты гидравлических сопротивлений проходных сечений отверстий 13, 12 и 14 соответственно.

Объединяя уравнения (1)—(3), получим:

тпх + Ьпх + ^ту}

5 „х

.[/о -/оо]

. \2

+ 6

+ у{к{+кг) = Р\

.Л у 2Л2

■ + т'х = 0.

(4)

(5)

С целью получения аналитических зависимостей для определения основных конструктивных параметров СГДУ воспользуемся следующими допущениями. Полагая, что торможение происходит при выключенном приводе, пренебрежем в уравнении (4) действием силы Т7, влиянием динамики плунжера на движение исполнительного механизма, ~

силой трения поршня и изменением коэффициента гидравлического сопротивления ¿¡(у). Кроме того, предположим, что отверстия 13, 12 и 14 имеют одинаковые диаметры (/0 = /, = /2), а коэффициенты их гидравлических сопротивлений равны 1. С учетом сказанного уравнение (4) запишется в виде

\рх2

т„х + -

г=0;

(6)

2[/0 -ЯУ)]

Решая это уравнение при начальных условиях х(0) = 0, х(0) = Уп.

У = .Утт ~ ^ ' ПОЛуЧИМ

2т„

х = -

/"2

п-/0

ЗрБ>

1п

1+\

(7)

где тти1, Ут;п - минимальные значения массы и скорости исполнительного механизма соответственно; /0 - площадь проходного сечения при у = >'ГП1П = 0.

По этому уравнению, при заданном значении конечной скорости исполнительного механизма, найдем величину тормозного пути

9 т f2 V

Т _ mmJ 0 l„ min /пч

min •у „3 » W

vy

уст

где Vycm - значение конечной скорости исполнительного механизма.

Значение площади поршня демпфера может быть рассчитано по уравнению (1), с учетом принятых допущений, при максимальной величине массы исполнительного механизма и начальному ускорению, которое является максимальным по модулю и не должно превышать допускаемого значения ускорения

sn=m™..aalbpn. (9)

где штах - максимальная величина массы исполнительного механизма; а0 -допускаемое значение ускорения на участке торможения.

Величины эффективной площади S2a, плунжера и коэффициента эквивалентной жесткости к = кх+кг пружин плунжера можно найти путем приравнивания тормозного пути, определяемого зависимостью (8), пути, полученному по выражению (7), при максимальных величинах массы и скорости исполнительного механизма

2т f2 V

Т _ max J min 'max /im

(10)

r n T ycm

Из выражений (8) и (10) при фиксированном значении L^ = Lmm = L получим зависимость для вычисления минимальной площади проходного сечения

/min = /о лМпш '«'"max - (11)

^ In К,х-'и О

Т~у-ргг— . /min - площадь проходного сечения при у = >'тах .

ч min 111 vycm ;

Для нахождения максимальной величины перемещения плунжера демпФеРа У max - соответствующего минимальной площади дросселирующего отверстия цилиндрической формы, можно воспользоваться соотношением

/min = Г0 [■К - 'Ртах + «'"(^тах )'^((^ )] ,

где г0 - радиус дросселирующего отверстия; <р тах - максимальное значение половины центрального угла (см. рис. 6, г).

Подставляя в это выражение зависимость (11) и находя (р тах определим 3'max='b(l-COSii?max), (12)

Выразим из уравнения (2) и выражения (9), при пренебрежении массой плунжера и трением его поясков о стенки внутренней осевой полости, коэффициент эквивалентной жесткости пружин плунжера

к = + к2 = 2с2 = и а° m""x ^'2т

У max ^п У max

где а -

Из последнего выражения с учетом зависимости (12) можно найти соотношение между эффективной площадью 52„ и коэффициентом эквивалентной жесткости к пружин плунжера

(13)

кх+к2 к а0ОТтах

Выражение (13) может быть использовано для определения эффективной площади Б2т плунжера при выбранной величине коэффициента эквивалентной жесткости к, либо для нахождения коэффициентов жесткости пружин по заданной величине эффективной площади плунжера.

Коэффициент гидравлического сопротивления, как известно, зависит от многих факторов: вида и размеров отверстий, угла между осью потока и нормалью к плоскости проходного сечения отверстия, коэффициента сжатия потока, числа Рейнольдса и т.д. Воспользуемся приближенной зависимостью для определения коэффициента <Ц(у), заменив цилиндрическое отверстие радиуса г0 эквивалентным квадратным длиной а

у) = [\-аесо%у{а-у)/8п]2, (14)

где £- коэффициент сжатия потока; у- угол между осью потока и нормалью к плоскости проходного сечения; а = г0%[2 - длина стороны эквивалентного квадрата.

Аналогичные зависимости были получены при учете в правой части выражения (5) силы F в предположении, что она постоянна.

Для проверки эффективности работы СГДУ был выполнен расчет основных конструктивных размеров этого устройства для параметров исполнительного механизма, близких к параметрам промышленного робота МП-9С: максимальное и минимальное значения массы движущихся частей исполнительного механизма вместе с грузом - игтах = 6.78 кг\ ттт = 5.0 кг; максимальное и минимальное значения скоростей исполнительного механизма - Утах =0.5 м/с; Ут.п =0.12 м/с. Допускаемые величины максимального ускорения, конечной скорости исполнительного механизма и перепада давления между полостями демпфера принимались соответственно равными: а0 = 30м/с-, V =0.01 м/с, Арп = 0.59МПа. На основе зависимостей (9)-(13) получены следующие параметры СГДУ: 5„ = 0,346.10~ъ м2\ Ь = 0.02м; к, =к2 =8,4.103Я/л<; г0 =1,32.10"3 м\ Б2г11 =50.10"6 м2; тП1 = 0.0045кг.

Численное моделирование уравнений (4), (5) осуществлялось методом Руиге-Кутта четвертого порядка с помощью пакета прикладных программ МаЙаЬ с начальными условиями: д:(0)=0; л:(0) = г(0)=У0; >'(0) =0;

у(0) = ?(0)=0.

Коэффициенты гидравлических сопротивлений проходных сечений отверстий 12 и 14 (см. рис. 3) принимались постоянными и равными =0.5. Коэф-

фициент гидравлического сопротивления дросселирующего отверстия £(у)

рассчитывался по выражению (14) при г =0,1; /=30°. Коэффициенты сопротивления движению поршня о стенку цилиндра и плунжерных поясков о стенки внутренней осевой полости варьировались от 0,7 до 5,0 Нс/м.

В процессе моделирования изучалось влияние начальных скоростей движения и величин перемещаемых масс на изменение скорости торможения в зависимости от величины тормозного пути исполнительного механизма при использовании демпфирующего устройства с переменным сопротивлением (подвижным плунжером) и с постоянным сопротивлением (неподвижным плунжером, когда у = 0). При этом интенсивность снижения скорости перед жестким упором оценивалась с помощью логарифмического декремента скорости 6 = \п(У01Ук), где Ук - конечная скорость, а разброс величин конечных скоростей относительно установившегося значения У>сот=0.01 м/с - по среднему арифметическому значению, полученному при различных начальных условиях

1 " I I

движения АУ= — У]\УК -V , где п - число вариантов начальных условий

«и ' 1

движения.

Проведенные исследования показали, что гидравлическое демпфирующее устройство с переменным сопротивлением позволяет обеспечить более интенсивное снижение скорости торможения при увеличении начальных скоростей движения и величин перемещаемых масс, чем демпфирующее устройство с постоянным сопротивлением. Установлено, что логарифмический декремент скорости торможения исполнительного механизма с демпфирующим устройством с подвижным плунжером, полученный при изменениях начальных скоростей движения, в среднем, в 1,1-1,2 раза превышал соответствующий декремент, полученный при неподвижном плунжере. Логарифмический декремент скорости торможения исполнительного механизма с демпфирующим устройством с подвижным плунжером, полученный при изменениях величин перемещаемых масс, также в 1,1-1,25 раза превышал соответствующий декремент, полученный при неподвижном плунжере. При этом средний разброс величин конечных скоростей исполнительного механизма с демпфирующим устройством с переменным сопротивлением относительно установившегося значения также оказывался меньшим по сравнению с разбросом, полученным при использовании демпфирующего устройства с постоянным сопротивлением, соответственно: АУ = 0,0025-0,0035 м/с и ДУ = 0,004-0,006 м/с.

Численное моделирование показало также, что увеличение коэффициентов сопротивления движению поршня о стенку цилиндра и плунжерных поясков о стенки внутренней осевой полости не приводило к заметному ухудшению эффективности работы СГДУ. Кроме того, в процессе моделирования было установлено, что наибольшие величины перемещений плунжера наблюдались при максимальных значениях скоростей движения и перемещаемых масс. В тоже время и при минимальных значениях указанных параметров также фиксировались небольшие перемещения плунжера, что свидетельствует об определенной погрешности аналитических расчетов, выполненных на основе использования упрощенной математической модели процессов торможения исполнительного механизма.

В качестве иллюстрации, на рис. 4, а показаны графики изменения скоростей торможения исполнительного механизма от тормозного пути при различных значениях начальных скоростей, среднем значении массы т„ср = 5.5 кг и использовании демпфирующего устройства с подвижным плунжером, а на рис. 4, б - те же графики при использовании демпфирующего устройства с неподвижным плунжером. Кривые 1-5 на этих графиках соответствуют начальным скоростям исполнительного механизма У0 = 0.12; 0.2; 0.3; 0.4 и 0.5 м!с соответственно.

.5

/ <1

/

\ / ,3

\ , \ /

ч у - /2 1

\ /

/

Ь5Н

0)

1

/ ' 1

/

/ 3

V /

/ \ ч ?

• ^ /

4 /

N

---- : На

Тормозной путь-Х[м|

Тормозной путь-Х[м]

Рис. 4. Графики изменения скоростей движения от тормозного пути при использовании демпфера с подвижным (а) и неподвижным (б) плунжерами

На рис. 5, а приведены графики изменения скоростей движения исполнительного механизма от тормозного пути при различных значениях перемещаемых масс, полученные при значении начальной скорости = 0,25 м/с и использовании демпфирующего устройства с подвижным плунжером, а на рис. 5, б - те же графики при использовании демпфирующего устройства с неподвижным плунжером. Кривые 1-5 на этих графиках соответствуют массам исполнительного механизма тп = 5; 5.5; 6; 6.5 и 6.78 кг соответственно.

а)

\

\ / 5 4

Л % / 3

'Ч % / 2 / 1

/

б)

ч 1

1 % / / /4

% / / /3

/ /

/

, _ Тормозюй ЛуТЬ-Х(м]

Рис. 5. Графики изменения скоростей движения от тормозного пути при различных значениях масс и использовании демпфера с подвижным (а) и неподвижным (б) плунжерами

Таким образом, предлагаемое СГДУ позволяет получить более стабильные значения конечных скоростей в момент соприкосновения с жесткими упорами при изменениях масс и скоростей движения исполнительных механизмов, чем демпфирующее устройство с постоянным сопротивлением. В результате этого уменьшается интенсивность колебательных движений исполнительных механизмов при ударе об ограничительный упор и повышается точность пози-

ционирования, быстродействие и надежность работы ГПП с цикловым управлением.

Третья глава посвящена вопросам разработки инженерной методики расчета основных конструктивных параметров СГДУ двухстороннего действия, а также алгоритмов и программ автоматизированного конструирования, проверки на прочность и ЗО-моделирования этих устройств.

Расчет параметров СГДУ производился применительно к двум его исполнениям: для больших (см. рис.6, а) и малых (см. рис.6, б) размеров.

1о

Нр І Б

Рис. 6. Конструктивные схемы для определения параметров демпфирующих устройств (а, б), плунжера (в) и дроссельного отверстия (г)

Основными конструктивными параметрами СГДУ являются: -

диаметры поршня и штоков, г0 - радиусы дросселирующих отверстий; Нр, Ь -ширина и ход поршня демпфера; уп = утах- положения упоров; диаметры про-

волоки, число рабочих витков и средние диаметры пружин плунжера (см. рис. 6, а, б); с1п, с/|0, диаметры отверстий в среднем пояске и самих поясков; = /г,0 = /г,,, £ толщины фланцев и длина плунжера (см. рис.6, в).

Для определения этих параметров использовались аналитические зависимости (9)-(13) и рекомендации, приведенные в справочной литературе по расчету и конструированию ГПП и деталей машин. При этом толщины стенок корпуса демпфера и внутренних полостей в штоках находились по формулам Лямэ:

где Ор ¿и ~ расчетные диаметры поршня и крайних поясков плунжера; [<т] -допустимое напряжение растяжения материала цилиндра.

Длины штоков демпфера и плунжера определялись с учетом условий прочности и устойчивости на основе модифицированной формулы Эйлера:

где Е - модуль упругости; / - момент инерции сечения; 1п - приведенная длина штока.

Положения упоров 3 (см. рис. 6, г), ограничивающих максимальную величину перемещения плунжера демпфера утах, соответствующую максимальному значению половины центрального угла (ртах, определялись на основе зависимости

Для автоматизированного расчета параметров СГДУ был разработан алгоритм, блок-схема которого показана на рис. 7. Разработанный алгоритм и программа, реализованная в виде программного комплекса в среде МаОаЬ, позволяют производить оптимизацию основных параметров гидравлического демпфера путем варьирования величинами перепада давления между полостями демпфера и тормозного пути, количеством и размерами дросселирующих отверстий, диаметрами фланцев плунжера и числом рабочих витков пружин.

Поскольку данный алгоритм получен на основе упрощенной расчетной схемы, не учитывающей особенности конструктивной реализации СГДУ, он позволяет определить лишь предварительные значения параметров устройства. Поэтому возникает необходимость проверки найденных размеров демпфера на прочность с помощью конечно-элементного анализа. С этой целью был разработан алгоритм исследования напряженно-деформированного состояния СГДУ на основе программы АИБУБ, блок-схема которого показана на рис. 8.

(15)

(16)

(18)

Рис. 7. Блок - схема алгоритма автоматизированного расчета и конструирования СГДУ

Рис. 8. Алгоритм исследования напряженно-деформированного состояния СГДУ Современные технологии компьютерного моделирования и инженерного анализа позволяют заменить или сократить число реальных опытных образцов изделий и процессы их натурных испытаний. Для виртуальной отработки конструктивных решений СГДУ был разработан алгоритм 30-моделирования на основе Autodesk Inventor Professional версии 2011, показанный на рис. 9.

Рис. 9. Блок-схема алгоритма создания трехмерной модели

Приведенный алгоритм ЗО-модслирования позволяет на этапе эскизного СГДУ ,

шш

проектирования С1ДУ производить основательную конструктивную отработку и оптимизацию основных его параметров и сократить как число изготавливаемых опытных образцов, так и время их создания. Результаты визуализации последовательности создания и принципа действия СГДУ пред- Рис. 10. Пример процесса сборки ставляются в формате видео с разрешением .ау1 (см. рис. 10).

В четвертой главе описываются результаты работы, связанные с использованием разработанной методики, алгоритмов и программ для конструирования опытного образца СГДУ для пневматического промышленного робота и экспериментальными исследованиями его эффективности. Демонстрируются возможности применения предложенных алгоритмов и программ для автоматизированного расчета размеров СГДУ, проверки основных конструктивных элементов на прочность и 3-Б моделирования. Дается описание измерительной аппаратуры, методики проведения эксперимента и обсуждаются его результаты.

Расчет основных параметров СГДУ для пневматического робота модели МП-9С выполнялся с помощью программы, описанной в третьей главе. Результатом работы программы явились основные конструктивные параметры СГДУ, которые приведены в диалоговом окне на рис. 11.

Рис. 11. Результаты расчета параметров самонастраивающегося демпфера

Для проверки на прочность конструкции демпфирующего устройства с помощью алгоритма, показанного на рис. 8, были созданы трехмерные геометрические и конечно-элементные модели: корпуса - на основе 34573 конечных элементов типа тетраэдра и 61043 узлов (см. рис.12, а); шток-поршней -19731элемент и 34860 узлов (см. рис. 12, б) и плунжера — 31214 элементов и 47184 узла (рис. 12, в). Проведенные расчеты показали, что максимальные значения напряжений и деформаций основных элементов СГДУ оказались меньше допустимых значений. В качестве примера, на рис. 13 приведены эпюры главных напряжений и деформаций корпуса.

^ л

б)

В)

Рис. 12. Конечно-элементные модели корпуса (а), шток-поршней (б) и плунжера (в)

■Вр

_

а)

Л'

Л

б)

д.

Рис. 13. Эпюры главных напряжений (а) и радиальной деформации (б) корпуса

Как следует из приведенных эпюр, максимальные значения напряжений и деформаций корпуса СГДУ оказались меньше допустимых граничных напряжений и деформаций материала и он, как и остальные элементы демпфера, обладает необходимой прочностью. Исследования показали также, что данный корпус может выдерживать давление до 1.5 МПа.

Для проверки эффективности работы был изготовлен опытный макет демпфирующего устройства (ОДУ) для торможения руки пневматического робота модели МП-9С (см. рис. 14). Опытный образец Рис. 14. Опытный образец гидродемпфера

демпфера 1 закреплялся на корпусе 2 пневмопривода выдвижения руки робота с помощью кронштейна 3 и винтов 4 и 5 вместо штатного демпфера.

Общий вид экспериментальной установки показан на рис. 15. Исследования процессов позиционирования выполнялись в направлении координаты д», руки 1. Величины перемещений по этой координате определяются передвижными упорами 2 и 6. Штоки 3 и 9 ОДУ при движениях в прямом и обратном направлениях взаимодействовали соответственно с этими упорами. В качестве груза 8 использовались сменные стальные цилиндры различной массы. Колебания руки робота в момент торможения на жестком упоре, фиксировались с помощью отражающей площадки 10, закрепленной в схвате 7 робота.

Отраженный от площадки 10 сигнал попадал на сенсорную головку 11 дальномерного лазерного виброметра модели ЯБУ-150, установленного на расстоянии Ь = 5м, и передавался в контроллер 12, связанный видеокабелем 13 посредством платы 14 с персональным компьютером 15, в котором анализировался с помощью специальной программы.

Рис. 15. Обший вид экспепиментальной установки

Проведенные исследования показали, что ОДУ обладает большей эффективностью по сравнению с ненастраиваемым «штатным» демпфером. Он позволил обеспечить меньшие амплитуды скоростей и продолжительность колебаний руки робота при позиционировании как в прямом, так и обратном направлениях движения. В качестве иллюстрации, на рис. 16, 17 приведены графики изменения виброскорости колебаний руки при позиционировании в прямом направлении с помощью «штатного» (а) и опытного (б) образцов демпфера.

Рис. 16. Скорости колебаний схвата робота без груза при Ут

В процессе эксперимента исследовалась интенсивность и продолжительность колебательных процессов, возникающих в процессах позиционирования с помощью ненастраиваемого «штатного» и опытного образцов демпфирующих устройств в зависимости от нагрузок и скоростей движения руки. Исследования осуществлялись путем измерения скоростей колебательных движений в прямом и обратном направлениях перемещения руки при различных значениях массы перемещаемого груза и скоростей движения. Исследовано двенадцать вариантов позиционирования руки робота, соответствующих различным грузам: без груза; М, = 0.132 и Мтах = 0.452 кг и двум различным скоростям руки: У[Гцп = 0.05 и V,..... = 0.3 м/с, регулировались скорости движения дросселями._

і:.....

і

Рис. 17. Скорости колебаний схвата робота с грузом Мтах при Уп

Эти графики были получены соответственно при минимальной скорости К™ руки без груза и максимальной скорости руки и максимальном грузе. Сводные результаты экспериментальных исследований приведены в таблице.

Скорость исп. механизма, м/с Масса груза, кг Размах, ми/с ^ = Anax "Ann Время затухания t„ с

Штатный демпфер ОДУ Штатный демпфер ОДУ Снижение t„ %

В прямом направлении V min Без груза 180 165 0.48 0.37 23

Мг= 0,132 140 155 0.46 0.35 24

= 0,452 190 120 0.27 0.22 18.5

V max Без груза 110 115 0.55 0.44 20

М2 = 0,132 260 230 0.53 0.42 20.8

= 0,452 190 165 0.44 0.37 15.9

В обратном направлении Без груза 170 110 0.51 0.45 11.8

М2= 0,132 195 143 0.47 0.41 12.8

Мта, = 0,452 130 120 0.42 0.34 19.04

V max Без груза 170 140 0.53 0.46 13.2

Д/2 = 0,132 220 170 0.50 0.44 12

Мт„ = 0,452 285 160 0.45 0.37 17.8

Экспериментальные исследования, в целом, подтвердили результаты теоретических расчетов и показали работоспособность и высокую эффективность использования предложенного СГДУ для обеспечения позиционирования гидропневмоприводов с цикловым управлением в условиях изменения нагрузок и скоростей движения. Продолжительность колебаний руки с СГДУ после соприкосновения с упорами при изменениях масс и скоростей движения оказалась на (10-25) % меньше, чем у руки со штатным демпфером.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе систематизации способов и средств торможения ГПП с цикловым управлением предложена конструктивная схема и разработаны принципы создания гидравлических демпфирующих устройств двухстороннего действия, обладающих свойствами самонастройки к изменениям скоростей движения и нагрузок.

2. Выбрана и обоснована расчетная схема исполнительного механизма с предложенным гидравлическим демпфирующим устройством, получены дифференциальные уравнения процессов торможения ГПП на жестких упорах и разработаны аналитические зависимости для определения основных конструктивных параметров СГДУ.

3. Разработана инженерная методика и алгоритмы определения конструктивных размеров и прочностного расчета основных элементов СГДУ, позволяющие производить автоматизированный расчет и конструирование предложенных конструкций демпфирующих устройств.

4. Предложены алгоритм и программа ЗО-моделирования СГДУ, позволяющие производить компьютерную отработку основных конструктивных параметров демпфирующих устройств на этапе эскизного проектирования, до создания опытных образцов.

5. С помощью предложенных алгоритмов и программ автоматизированного расчета, конструирования и моделирования выполнено проектирование СГДУ для использования в пневматическом промышленном роботе и проведены экспериментальные исследования его эффективности.

6. Теоретическими и экспериментальными исследованиями доказано, что применение СГДУ позволяет обеспечить более стабильные значения конечных скоростей в момент соприкосновения с жесткими упорами (разброс значений в 1,5-2 раза ниже) и меньшую на (10-25) % продолжительность колебаний после соприкосновения с упорами при изменениях масс и скоростей движения исполнительных механизмов, чем демпфер с постоянным сопротивлением.

7. Предложенные конструкции гидравлических демпфирующих устройств могут быть использованы для обеспечения позиционирования ГПП с цикловым управлением различного назначения, а созданные алгоритмы и программы - при их автоматизированном расчете и конструировании.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК

1. Кузнецов Н.К. Моделирование самонастраивающегося гидравлического демпфирующего устройства / Н.К. Кузнецов, Нгуен Мань Дык // Вестник ИрГТУ. 2011. - № 9. - С. 35-40.

2. Кузнецов Н.К. Определение конструктивных параметров гидравлического демпфирующего устройства / Н.К. Кузнецов, Нгуен Мань Дык // Вестник ВСГТУ. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ. - 2012. - № 1. - С. 17-22.

3. Нгуен Мань Дык. Расчет на прочность самонастраивающегося гидравлического демпфирующего устройства / Н.К. Кузнецов, Нгуен Мань Дык // Вестник ВСГУТУ. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ. - 2013. - № 1. - С. 45-51.

4. Кузнецов Н.К. Разработка алгоритмов и программ автоматизированного расчета самонастраивающихся гидравлических демпфирующих устройств / Н.К. Кузнецов, Нгуен Мань Дык // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - Иркутск: Изд-во ИрГУПС. -2013. -№ 1. - С. 81-88.

5. Нгуен Мань Дык. Экспериментальные исследования СГДУ двухстороннего действия / Нгуен Мань Дык, Н.К. Кузнецов // Системы. Методы. Технологии. - Братск: Изд-во БрГУ. - 2013. - №3. - С. 51-59.

Патенты и свидетельства:

6. Пат. 2467224 РФ, МПК Б 16 Б 9/22. Гидравлическое демпфирующее устройство двухстороннего действия / Н.К. Кузнецов, Нгуен Мань Дык. - № 2011123571/11; заявл. 09.06.2011; опубл. 20.11.2012, Бюл. № 32. -6 с.

7. Свидетельство ОГРП для ЭВМ №2013613425. Программа автоматизированного расчета СГДУ двухстороннего действия / Н.К. Кузнецов, Нгуен Мань Дык; Федеральная служба по интеллектуальной собственности. -2013.

Публикации в других изданиях

8. Нгуен Мань Дык. Разработка самонастраивающегося гидравлического демпфера [Элек. ресурс] // Молодежный вестник ИрГТУ. - Иркутск, 2011. -№ 2. - Режим доступа: http://www.istu.edu/structure/54/2977/1794/

9. Нгуен Мань Дык. Разработка и исследование СГДУ / Н. М. Дык, Н.К. Кузнецов // Математика, ее приложения и математическое образование: Материалы IV Международной конференции, Улан-Удэ и Байкал, 27 июня-1 июля 2011 г. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2011.-Ч. 1.-С. 166-170.

10. Нгуен Мань Дык. Исследование влияния демпфирования на нестационарные колебания // Международный журнал Вестник Байкальского союза стипендиатов ДААД. - 2011. - № 1. - С. 44- 47.

11. Kuz-Nhe-Sop N.K. Research and automation of calculation of basic size of self-regulation hydraulic damping devices / N.K. Kuz-Nhe-Sop, Nguyen Manh Duc // Vietnam Mechanical Engineering magazine. - 2011. - № 10. - P. 67-72.

12. Нгуен Мань Дык. Разработка трехмерной модели СГДУ // Вопросы образования и наука: теоретический и методический аспекты: Материалы Международной заочной научно-практической конференции, Тамбов, 2012. -Тамбов: Изд-во ТРОО «Бизнес - Наука - Общество», 2012. - Ч. 1. - С. 128-130.

13. Нгуен Мань Дык. К вопросу о выборе конструкции самонастраивающегося гидравлического демпфирующего устройства [Электронный ресурс] // Материалы XI Международного научного форума студентов, аспирантов и молодых учёных стран Азиатско-Тихоокеанского региона, Владивосток-Инженерная школа ДВФУ, 14-17 мая 2012. - Владивосток: Изд-во Инженерной школы ДВФУ, 2012. - Ч. 1. - С. 757-761. - Режим доступа: http://dvkc.dvfu.ru.

14. Кузнецов Н.К. Исследование динамики исполнительных механизмов СГДУ / Н. К. Кузнецов, Нгуен Мань Дык // Механики XXI веку: Сборник докладов XI Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, Братск. - Братск: Изд-во БрГУ, 2012. - С. 57 -60.

15. Кузнецов Н.К. Экспериментальные исследования самонастраивающегося гидравлического демпфирующего устройства / Н. К. Кузнецов, Нгуен Мань Дык // Проблемы механики современных машин: Материалы V Международной конференции. - Улан-Удэ: Изд. ВСГТУ, 2012. - Ч. 2. - С. 227-230.

16. Нгуен Мань Дык. Конструирование и расчет экспериментального макета самонастраивающегося гидравлического демпфера [Электронный ресурс] // Элек. журнал «Молодежный вестник ИрГТУ». - 2012. -№ 3. - Режим доступа: http://www.istu.edu/structure/54/3205/?

17. Кузнецов Н.К. Разработка экспериментального макета СГДУ двухстороннего действия / Н. К. Кузнецов, Нгуен Мань Дык // Авиамашиностроение и транспорт Сибири: Материалы III всероссийской научно-практической конференции, Иркутск, апреля 2013. - Иркутск: Изд. ИрГТУ, 2013. - С. 210-213.

Подписано в печать 10.10.2014. Формат 60 х 90/ 16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,75. Тираж 100 экз. Зак. 8. Поз. плана 12н. Лицензия ИД № 06506 от 26.12.2001 Иркутский государственный технический университет 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83